軌旁信號(hào)設(shè)備多維度數(shù)據(jù)挖掘與可視化展示

施 聰 陸鑫源 孫 杰 晏 偉 張 杰 陳恒泰 戴洋競(jìng) 顧思淵 張玉潔 桂文婧

(1.上海磁浮交通發(fā)展有限公司,201204,上海; 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司,200235,上海;3.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201600,上?！蔚谝蛔髡?高級(jí)工程師)

軌旁信號(hào)設(shè)備是保障列車運(yùn)行安全、提高運(yùn)行效率的重要基礎(chǔ)設(shè)備,對(duì)其RAMS(可靠性、可用性、可維修性、安全性)要求極其嚴(yán)苛,因此,研究軌旁信號(hào)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作具有重要意義。傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)手段主要有基于時(shí)間的周期性維護(hù)和基于故障的糾正性維護(hù)[1]?；诠收系募m正性維護(hù),是在故障發(fā)生后因受故障點(diǎn)位置、搶修人員和物資分配等因素的影響無法快速解決故障[2]而進(jìn)行的維護(hù),如故障不能及時(shí)得以解決,可能會(huì)造成線網(wǎng)擁堵癱瘓等問題。

在軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)領(lǐng)域,已經(jīng)積累了海量數(shù)據(jù),但是這些數(shù)據(jù)維度高、時(shí)間跨度大、數(shù)據(jù)體量大且價(jià)值稀疏,因此目前的使用率較低。而基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的維護(hù)策略優(yōu)化理念在地鐵售票系統(tǒng)設(shè)備維修[3]、鐵路內(nèi)燃機(jī)車故障數(shù)據(jù)處理[4]、動(dòng)車組齒輪箱異常數(shù)據(jù)分析[5]等方面應(yīng)用非常廣泛。本文主要探討軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)的挖掘與可視化展示。

1 軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)獲取與類別

1) 數(shù)據(jù)獲取。維護(hù)作業(yè)數(shù)據(jù)主要分布在各業(yè)務(wù)階段數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中,比如EAM(企業(yè)資產(chǎn)管理)系統(tǒng)、點(diǎn)巡檢系統(tǒng)、工單系統(tǒng)和智慧運(yùn)維平臺(tái)(見圖1),因此需要打通系統(tǒng)間數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。各個(gè)系統(tǒng)之間接口協(xié)議采用Restful風(fēng)格和JSON(JavaScript (JS)對(duì)象簡(jiǎn)譜)數(shù)據(jù)格式。獲取到接口平臺(tái)接口庫URL(統(tǒng)一資源定位符)地址,申請(qǐng)接口訪問時(shí),首先要完成身份鑒權(quán),如EAM系統(tǒng)身份鑒權(quán),需要提供接入系統(tǒng)所屬公司、接入范圍對(duì)象和加密動(dòng)態(tài)數(shù)字證書等。獲取接口數(shù)據(jù)時(shí),通過Restful協(xié)議提供標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求(Get)動(dòng)作方法,通過調(diào)用平臺(tái)接口方法和傳入?yún)?shù)即可獲得返回結(jié)果,最后將JSON格式文件數(shù)據(jù)解析為Excel文件和文本文件或者將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

圖1 數(shù)據(jù)獲取流程圖

2) 數(shù)據(jù)類別。維護(hù)作業(yè)數(shù)據(jù)主要包括工單數(shù)據(jù)、點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。工單數(shù)據(jù)記錄軌道交通運(yùn)維事件的管理、追蹤和刪除等過程,內(nèi)容包括工單編號(hào)、設(shè)備(位置)編碼、工作內(nèi)容、工作類型、實(shí)際開始時(shí)間、實(shí)際完成時(shí)間、工單完成描述和工單狀態(tài)等;點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)記錄設(shè)備周期性固定計(jì)劃維護(hù)內(nèi)容,主要包括計(jì)劃編號(hào)、任務(wù)編號(hào)、設(shè)備名稱、檢查序號(hào)、檢查項(xiàng)、是否正常和記錄值等;故障數(shù)據(jù)主要包括故障編號(hào)、故障時(shí)間、故障設(shè)備名稱、故障現(xiàn)象、故障發(fā)生線路和站點(diǎn)、處理時(shí)間、處置經(jīng)過和處置延時(shí)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

解析以后的數(shù)據(jù)無法直接使用,存在數(shù)據(jù)信息冗余、數(shù)據(jù)格式錯(cuò)亂或者數(shù)據(jù)內(nèi)容缺失等問題,因此需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)清洗和缺失值填充。數(shù)據(jù)篩選是指篩選出與軌旁信號(hào)設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù),避免非軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)干擾,如從工單數(shù)據(jù)與點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)中篩選出與轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸和信標(biāo)有關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng);數(shù)據(jù)清洗是指刪除閾值范圍外異常數(shù)據(jù)和邏輯性錯(cuò)誤數(shù)據(jù),如從工單數(shù)據(jù)檢查各項(xiàng)數(shù)據(jù)值,刪除填寫為負(fù)值的數(shù)據(jù);缺失值填充針對(duì)的是填寫表格時(shí)為節(jié)約時(shí)間未填寫或者簡(jiǎn)寫的項(xiàng)(這些項(xiàng)與已填寫項(xiàng)內(nèi)容相同),需要根據(jù)已填寫項(xiàng)內(nèi)容補(bǔ)齊相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

本文中的軌旁信號(hào)設(shè)備主要指道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸和應(yīng)答器,維護(hù)數(shù)據(jù)主要包括故障數(shù)據(jù)和工單數(shù)據(jù)。

1) 故障數(shù)據(jù)分析。道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障類型較多,其中大小角鋼(槽鋼)和電路2DQJ兩類故障占比較大;信號(hào)機(jī)主要故障有信號(hào)綠燈燈絲故障、白燈燈絲故障和紅燈燈絲故障,其中綠燈燈絲故障占比最高,遠(yuǎn)超其它兩類故障;計(jì)軸故障類型有室內(nèi)并口板故障、室外磁頭故障和CPU(中央處理器)電源故障;應(yīng)答器的可靠性和安全性較高,故障概率低,故障類型只有A-TAG應(yīng)答器一類故障。在這4類故障中,道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障數(shù)量最多,其次是計(jì)軸故障數(shù)量,信號(hào)機(jī)和應(yīng)答器的可靠性和安全性較高,故障數(shù)量較少。

2) 工單數(shù)據(jù)分析。工單類型包括日常養(yǎng)護(hù)、巡檢、配合、集中養(yǎng)護(hù)、臨修和搶修等工單。以上海軌道交通14號(hào)線2023年7月和8月的工單為例進(jìn)行分析,各類型工單數(shù)量如圖2所示。由圖2可見,日常養(yǎng)護(hù)類型工單最多,臨修和搶修工單極少。本文重點(diǎn)分析日常養(yǎng)護(hù)、巡檢和集中維護(hù)工單占比情況。日常養(yǎng)護(hù)分為雙周養(yǎng)護(hù)、四周養(yǎng)護(hù)、月養(yǎng)護(hù)、季養(yǎng)護(hù)和半年養(yǎng)護(hù),日常養(yǎng)護(hù)中的各類工單占比如圖3所示。由圖3可見,四周養(yǎng)護(hù)工單占比最大,季養(yǎng)護(hù)工單占比最小。巡檢維護(hù)分為日維護(hù)、周維護(hù)、月維護(hù)和半年維護(hù),巡檢維護(hù)中的各類工單占比如圖4所示。由圖4可見,周維護(hù)工單占比最大,半年養(yǎng)護(hù)工單占比最小。集中維護(hù)類型分為季維護(hù)、半年維護(hù)和年維護(hù),集中維護(hù)中的各類工單占比如圖5所示。由圖5可見,年維護(hù)工單占比最大,季養(yǎng)護(hù)工單占比最小。

圖2 工單類型數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖3 日常養(yǎng)護(hù)各類工單占比

圖4 巡檢各類工單占比

圖5 集中維護(hù)各類工單占比

2 軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)挖掘與維護(hù)策略優(yōu)化

2.1 數(shù)據(jù)挖掘

軌旁信號(hào)設(shè)備是交互發(fā)生影響的,因此需對(duì)多源維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,對(duì)設(shè)備狀態(tài)和故障影響進(jìn)行邏輯嚴(yán)密綜合分析。設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致各類型故障,故障影響表達(dá)式為:

M=f(Di,Xj,Jk,Yz)

(1)

式中:

M——故障影響;

Di——第i個(gè)道岔設(shè)備故障;

Xj——第j個(gè)信號(hào)機(jī)故障;

Jk——第k個(gè)計(jì)軸故障;

Yz——第z個(gè)應(yīng)答器故障。

然而,Di和Xj故障會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖區(qū)域列車降級(jí),Jk故障會(huì)導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域列車降級(jí),Yz故障對(duì)運(yùn)營(yíng)無影響。聯(lián)鎖區(qū)域列車降級(jí)是等級(jí)最高事件,Di道岔設(shè)備故障是導(dǎo)致連鎖區(qū)域列車降級(jí)的根本性因素,無論是否有無其他3類故障。軌旁信號(hào)設(shè)備故障類型及其影響如表1所示。

表1 軌旁信號(hào)設(shè)備故障類型及其影響

信號(hào)設(shè)備維護(hù)工作具有保障設(shè)備安全、延長(zhǎng)設(shè)備壽命和避免事故發(fā)生等作用。維護(hù)時(shí)間能夠反應(yīng)維護(hù)效率。信號(hào)設(shè)備維護(hù)主要包括計(jì)劃性維護(hù)和糾正性維護(hù)。計(jì)劃性維護(hù)包含集中維護(hù)、巡檢、日常養(yǎng)護(hù)、檢修和調(diào)測(cè)(測(cè)試并調(diào)整)5種類型,計(jì)劃性維護(hù)的設(shè)備維護(hù)年總工時(shí)為各類維護(hù)類型工時(shí)之和。但大規(guī)模維護(hù)會(huì)造成大量人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)[6]。糾正性維護(hù)是指在設(shè)備出現(xiàn)故障后,從對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)開始到恢復(fù)到正常工作狀態(tài)的過程,糾正性維護(hù)時(shí)間是反映維護(hù)時(shí)間的關(guān)鍵指標(biāo)。計(jì)劃性維護(hù)工時(shí)在總維護(hù)工時(shí)中的占比q計(jì)算公式為:

(2)

式中:

Pt——某車站或者某設(shè)備計(jì)劃性維護(hù)工時(shí);

Mt——某車站或某設(shè)備糾正性維護(hù)工時(shí)。

若q<1,應(yīng)增加計(jì)劃性維護(hù)工時(shí),對(duì)高頻故障設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù);若q=1,應(yīng)適當(dāng)減少計(jì)劃性維護(hù)工時(shí)。

2.2 維護(hù)策略優(yōu)化

1) 使用壽命估計(jì)方法。軌旁信號(hào)設(shè)備使用壽命估計(jì)是一個(gè)研究重點(diǎn),本文通過設(shè)備上道時(shí)間、設(shè)備最大使用年限和單月最高動(dòng)作次數(shù)對(duì)設(shè)備剩余使用壽命和設(shè)備下道時(shí)間進(jìn)行估計(jì)。軌旁信號(hào)設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)估使用年限是15年,其中轉(zhuǎn)轍機(jī)可分為二級(jí)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)和三級(jí)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)。三級(jí)道岔使用壽命估計(jì)計(jì)算公式為:

t=t0+h+3 d

(3)

式中:

t——預(yù)估設(shè)備下道岔時(shí)間,單位 d;

t0——設(shè)備上道時(shí)間,單位 d;

h——設(shè)備預(yù)估計(jì)剩余使用時(shí)間,考慮到閏年,因此多加3 d,單位 d。

二級(jí)道岔與三級(jí)道岔的單月最高動(dòng)作次數(shù)可相差10倍,甚至可達(dá)30倍,因此,對(duì)于二級(jí)道岔,要從當(dāng)前設(shè)備動(dòng)作次數(shù)與最大可允許動(dòng)作次數(shù)的比值來計(jì)算其下道時(shí)間,計(jì)算公式為:

式中:

Mn——設(shè)備單月動(dòng)作次數(shù),max (M1,M2,…,Mn)表示設(shè)備單月動(dòng)作次數(shù)最大值,單位 次;

PM——設(shè)備允許最大動(dòng)作次數(shù),單位 次。

根據(jù)式(4)可估算出來二級(jí)道岔設(shè)備使用壽命。設(shè)備使用壽命估計(jì)對(duì)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、維護(hù)工時(shí)安排和設(shè)備庫存管理等都有重大意義。

2) 庫存優(yōu)化。根據(jù)維護(hù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析可知,道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)和計(jì)軸故障次數(shù)多且類型也多,信號(hào)機(jī)和應(yīng)答器故障次數(shù)少,因此各車站應(yīng)增加轉(zhuǎn)轍機(jī)和計(jì)軸庫存數(shù)量,建議適當(dāng)性減少信號(hào)機(jī)和應(yīng)答器庫存數(shù)量。此外,針對(duì)個(gè)別車站的高頻發(fā)故障類型,應(yīng)單獨(dú)增加某類型設(shè)備配件。

3) 計(jì)劃性維護(hù)優(yōu)化。對(duì)計(jì)劃性維護(hù)工時(shí)以新規(guī)則進(jìn)行分散統(tǒng)計(jì),如以車站和設(shè)備、車站和時(shí)間(每月)、設(shè)備和時(shí)間(每月)理清各車站需維護(hù)設(shè)備時(shí)間、每月各車站維護(hù)時(shí)間、每月設(shè)備需維護(hù)時(shí)間。在對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,針對(duì)性增加故障頻發(fā)車站、故障頻發(fā)月的維護(hù)需求,針對(duì)性增加某類故障頻發(fā)設(shè)備維護(hù)需求,應(yīng)減少不發(fā)生和少發(fā)生故障的設(shè)備的日常養(yǎng)護(hù)和巡檢頻次與時(shí)間。

4) 糾正性維護(hù)優(yōu)化。糾正性維護(hù)時(shí)間越短造成的影響越小。因此,根據(jù)故障數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析結(jié)果,對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析,如:從空間角度按車站和故障數(shù)、車站和設(shè)備故障數(shù),從時(shí)間角度按月份與故障數(shù)等進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)、分析和研究。對(duì)頻發(fā)故障位置進(jìn)行標(biāo)記,研究不同維護(hù)路徑和方法下取得最少糾正性維護(hù)時(shí)間最優(yōu)化方案,此外還與設(shè)備庫存和計(jì)劃性維護(hù)工時(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3 軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)可視化展示

軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)來源廣、數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)格式種類多,維護(hù)策略優(yōu)化后,軌旁信號(hào)設(shè)備全生命平臺(tái)包括基礎(chǔ)管理、引導(dǎo)管理、設(shè)備管理和風(fēng)險(xiǎn)管理四大管理模塊(見圖6),對(duì)軌旁設(shè)備維護(hù)工時(shí)、故障分布、基礎(chǔ)信息、庫存和風(fēng)險(xiǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。各個(gè)管理模塊均能在上海市真實(shí)地圖中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)展示,可從中直觀高效地觀察相關(guān)數(shù)據(jù)的分布情況,實(shí)現(xiàn)高效便捷管理。

圖6 軌旁信號(hào)設(shè)備全生命平臺(tái)功能模塊示意圖

1) 基礎(chǔ)管理模塊:具有展示線路基礎(chǔ)概況、靜態(tài)數(shù)據(jù)和車站設(shè)備信息3大功能。線路基礎(chǔ)概況展示全線的運(yùn)營(yíng)里程、客運(yùn)站、投用年代、列車配屬以及列車控制模式等線路基礎(chǔ)信息;靜態(tài)數(shù)據(jù)展示設(shè)備供應(yīng)商、型號(hào)、數(shù)量、使用年限、動(dòng)作次數(shù)、圖紙以及應(yīng)急預(yù)案等靜態(tài)信息;設(shè)備信息展示線路各車站設(shè)備數(shù)量和供應(yīng)商等信息?？煞奖憔S護(hù)人員隨時(shí)查看,加強(qiáng)對(duì)線路設(shè)備熟悉掌握程度,或用于對(duì)線路不熟悉的維護(hù)專業(yè)新員工學(xué)習(xí)了解使用。

2) 引導(dǎo)管理模塊:具有展示故障樹種類、故障趨勢(shì)分類和壽命情況3大功能。故障樹種類展示全線網(wǎng)內(nèi)4類軌旁設(shè)備故障種類占比,對(duì)比全線網(wǎng)內(nèi)相同設(shè)備各類故障發(fā)生比例,對(duì)全線故障作預(yù)測(cè)分析。故障趨勢(shì)分類展示故障發(fā)生的時(shí)間變化趨勢(shì)以及相應(yīng)車站的分布情況,使維護(hù)人員能從時(shí)間、空間和數(shù)量等多維度掌握故障分布情況,提醒維護(hù)人員留意相關(guān)車站及相關(guān)設(shè)備的故障發(fā)生,加強(qiáng)對(duì)相關(guān)設(shè)備的維護(hù)。在引導(dǎo)管理模塊中也能看到具體軌旁設(shè)備的可使用壽命情況,使維護(hù)人員能直觀地感受到設(shè)備的預(yù)計(jì)使用時(shí)間。

3) 設(shè)備管理模塊:具有展示計(jì)劃性維護(hù)、糾正性維護(hù)和存庫3大功能,可將維護(hù)策略優(yōu)化后應(yīng)用結(jié)果以可視化方式展示出來。可展示4類軌旁設(shè)備各種計(jì)劃性維護(hù)及糾正性維護(hù)工時(shí)隨著時(shí)間變化的趨勢(shì),結(jié)合線路地圖可直觀立體地看到維護(hù)工時(shí)集中的時(shí)間以及站點(diǎn)。線路庫存預(yù)警可提醒維護(hù)人員及時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)的備品備件。

4) 風(fēng)險(xiǎn)管理模塊:具有展示致命風(fēng)險(xiǎn)源健康狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)源和致命風(fēng)險(xiǎn)源外部影響3大功能。維護(hù)人員從中可看到風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)線路運(yùn)營(yíng)的影響情況,方便維護(hù)人員評(píng)估該車站的相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率,使維護(hù)人員能夠掌握具體故障車站地理位置。維護(hù)人員根據(jù)設(shè)備致命風(fēng)險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)部件以及外部工況的健康狀態(tài)的可視化展示,能夠直觀地觀察到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生位點(diǎn)及其具體情況。

4 結(jié)語

上海軌道交通14號(hào)線實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,通過對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,并通過在軌旁信號(hào)設(shè)備全生命平臺(tái)進(jìn)行可視化展示,使多維度海量軌旁信號(hào)設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)的價(jià)值得以有效展現(xiàn),既便于新員工學(xué)習(xí)時(shí)使用,又能使維護(hù)人員直觀地了解設(shè)備的基本情況和運(yùn)行狀態(tài),有利于縮短維護(hù)時(shí)間、節(jié)約成本、提高企業(yè)效益。